上海地铁某车站空调系统高效制冷机房改造实测分析

宋 洁 郑 懿 张万毅

1.上海申通地铁集团有限公司

2.同济大学

0 引言

城市轨道交通能耗已引起社会的关注，截至2021 年，我国共有50 个城市保有轨道交通方式，总线路长达9 000 km 以上[1-2］。“十三五”期间，新增线路长度4 300 km，创历史新高。轨道交通的能耗问题逐渐引起关注[3-4］，而轨道交通车站空调系统能耗占比最高，约为50%～70%。因此，为实现“双碳”目标，轨道交通车站空调系统和制冷系统的高效化建设和改造势在必行。

以上海典型地下轨道交通标准站的制冷系统能效提升改造案例，探索地铁车站空调提升能效的主要途径。

1 制冷机房改造情况

项目位于上海，属于夏热冬冷地区，为轨道交通地下标准站。该项目自2004 年12 月开通运营，共有4个出入口，项目总建筑面积约5 800 m2，是上海日均客流量前十的站点，具有研究的典型性。

项目原空调系统制冷主机使用已达15年，效率大幅度下降。通过对其空调系统进行升级改造，使用高效空调系统关键技术，达到打造高效地铁车站的目标。

项目空调系统原理图如图1所示。原有2台螺杆式冷水机组，配置2 台冷冻水泵、2 台冷却泵、2 台冷却塔，且无高效群控系统。本次改造将螺杆式冷水机组替换为水冷磁悬浮变频离心式冷水机组，水泵全部更换为变频水泵，并搭建车站智能空调群控系统测试平台，设备参数如表1所示。

表1 空调机组铭牌参数

图1 改造站空调系统图

2 制冷机房改造效果

项目2021 年改造完成，2022 年为第一个完整制冷季。为分析改造后的情况，从两个维度进行效果分析，一是项目改造后制冷机房变频与定频工况运行的差异，二是项目的实际运行制冷机房能效比和节能效果。

2.1 变频与定频工况对比

为充分评估系统能效提升效果与关键影响因素，采用第三方现场连续检测的方式，对系统工频与变频模式下的能耗和能效进行检测。

选取室外空气温度相近的两天，在同一时段进行工频、变频的测试。机组、水泵、冷却塔开启数量相同，末端（空调箱）开启情况相同。工频测试时，机组统一设定冷水出水温度为8 ℃，水泵工频运行；变频测试时，机组的出水温度、水泵频率等依据系统需求自动调节。

测试期间，空调系统正常运行，站厅的温度在26.4～28.5 ℃之间，满足规范要求；站台的温度在25.9～29.1 ℃之间，满足车站关于站内温度的要求。

工频和变频工况下的制冷量基本一致，可以认为两个工况下，供冷效果基本一致，但是变频工况下，机房总功率较少，能耗较定频工况降低约15%，能效提升约14.3%。可以看到，两种工况下由于主机COP 类似、冷却塔功率相同，造成能效差异的主要原因为水泵功率（对应于水泵频率），如表2所示。

表2 现场检测变频与定频工况的差异

2.2 制冷季运行能效与节能量评估

该地铁站自2022 年6 月2 日开始正常运行，其间空调机组开启全新风模式，连续监测数据至9 月22 日，共计3 个多月。其间制冷机房运行平均能效比为5.16，达到高效制冷机房水平。

图2 所示变频工况下制冷机房系统各设备能耗占比。可以看到其中主机能耗占比最大，为73.6%，冷冻水泵和冷却水泵能耗占比分别为9.14%和12.31%。高效制冷机房案例冷水主机能耗占比可达80%以上，而冷冻泵及冷却泵能耗占比应该在8%以下，可见当前系统运行仍有能效优化空间。

图2 变频工况下制冷机房系统各设备能耗占比

由于该地铁车站为既有线路，此前并未针对空调制冷机房做详细分项计量，因此为了探究改造节能效果，采用同类别站点横向对比的方式进行节能量评估。图3 是两个未改造的对比站和该案例中改造站近年来各月份动力照明用电对比。由于该既有线未做能耗分项计量，因此环控系统用电和照明用电、电梯用电一起合并为动力照明用电进行能耗统计。由图3 可知，空调季因为开启制冷系统，动照总用电要远超非空调季用电。这也说明如进行制冷系统节能改造，节能空间也是巨大的。

图3 2017-2022年三个标准站动力照明用电量

图3 无法用于观察制冷系统节能改造前后对动照总用电的影响，为了对比不同站空调季用电量逐年相对变化，现以2020 年空调季为动照总用电基准年，计算各年份空调季动力照明总用电量相对系数。如图4 所示，2022 年空调季对比站1 和对比站2动照总用电与2020 年相当，而改造站总用电则相对2020 年发生明显下降。由于动照总用电中电梯用电和照明用电量随时间变化较小，因此，改造站2022 年动照总用电相对2020 年的降低，主要由制冷系统节能改造贡献，经计算空调季总节能量约为30万kWh，节能效果显著。

图4 5-10月三个站动照总用电对比（以2020年用电为基准）

3 能效提升分析

空调系统制冷机房的能效可以从很多方面进行优化提升，比如选择高效设备、应用变频技术、基于能效模型计算控制参数等。为了了解当前制冷机房在能效提升方面的制约和继续优化的空间，分别针对冷水机组负载率、冷机出水温度、水泵进出水温差三组实际运行数据进行分析。

3.1 冷机负载率分析

一台冷水机组的负载率一般指其瞬时制冷量与额定制冷量的比值，反映了冷水机组当前的出力多少。不同类型的冷水机组其负载率对COP 的影响是直接而显著的，根据文献，螺杆机的高效区在其负载率40%～90%、离心机在60%～70%[5］，该案例所采用的磁悬浮冷水机组“负载率-COP”特性与上述两种机组不同，一般随负载率的增加而COP降低，因此大负载率情况下冷水机组的能效比较低。

图5 所示整个空调季两台冷水机组的负载率分布直方图，可以看出两台冷机负载率分布整体类似，大部分负载率均超过70%，这无疑对冷水机组的能效造成了负面影响，进而阻碍了制冷机房能效的改善提升。一个制冷系统改造过程中，冷机容量的确定不仅需要考虑末端负荷，同时也受到冷机供配电配置制约。在供配电配置没有改善的前提下，很难用冷机选型将空调季负载率控制在高效区，这也对后续上海地铁车站制冷机房高效化改造工作提供了重要参考。

图5 冷机空调季负载率

3.2 冷机出水温度分析

对于典型的用于空调制冷的逆卡诺循环，提升蒸发温度与降低冷凝温度都可以提升循环能效比。当前高效制冷机房技术突破了冷机7 ℃供水/12 ℃回水的传统设置，尝试在末端负荷较低和除湿压力不大的情况下，在合适范围内对冷水机组供水温度进行调节以提升冷机能效比。

在室外条件相近的条件下，可通过调整冷冻水出水温度探究其对制冷机房能效比的影响。图6给出了改造站冷水机组在不同冷冻水出水温度设置下制冷机房的能效比，可以看到在相近的冷却水出塔平均温度下，冷水机组冷冻水出水温度从8.63 ℃上升到10.14 ℃，制冷机房的能效比也从5.5 增长到了6.1。说明对于磁悬浮冷水机组而言，适当提升冷冻水出水温度有利于显著提高机组和制冷机房的能效比。

图6 不同冷冻水出水温度设置下冷源系统运行效率

图7 展示了某一运行时间段（对应于6 月2 日至6 月11 日）两台冷机出水温度变化情况，其中陡峭升起的尖峰为冷机停止运行期间水温，可以看到两台冷机出水温度基本稳定在约7.5 ℃之间。从图中还可以看出，1 号冷水机组冷凝器进水温度在部分时间段较低，反映了较低的室外湿球温度和制冷系统负荷，但冷机出水温度未随之适当调升以提高系统能效。所以当前运行策略在改变出水温度以提升制冷机房能效方面仍有继续优化空间。

图7 冷机蒸发器出水温度（℃）

3.3 水泵进出水温差分析

在同样的时间段内，1 号冷机的冷冻泵和冷却泵的进出水温差变化如图8 所示。在此期间前几日、冷冻水泵、冷却水泵均定频运行，频率约为36 Hz，此时冷冻水温差和冷却水温差在3～5 ℃之间波动，未体现变频节能策略的应用。尔后几日则转变为冷冻水泵接近30 Hz 运行、冷冻水温差保持在约5 ℃，而冷却泵高频运行、冷却水温差保持在4 ℃左右，前者若设置5 ℃温差控制，后者因保持4 ℃温差导致冷却水泵频率较高能耗较高，最终可能使得制冷机房能效降低。所以当前制冷机房水泵变频策略未保持一致也没完全体现节能特性。

图8 制冷机房冷冻泵与冷却泵进出水温差

由于水泵额定功率在制冷机房中占比较高（该案例中冷冻水泵、冷却水泵合计占比27.1%），而水泵变频带来的能耗降低又较为可观，如理论上当水泵从50 Hz 降为40 Hz 时可使能耗降低50%，由此带来的制冷机房能效提升显著。以往成功的高效制冷机房案例中冷冻、冷却水泵运行能耗占比往往在16%以下，这既是较优变频策略的应用结果，也是管路和阻力优化带来的效益。因此在制冷机房高效化改造中，应统筹水泵配置及变频对制冷机房能效的影响趋势，因地制宜优化管路阻力和变频策略，以使制冷机房高效运行。

4 结论

对上海某地铁车站制冷机房高效化改造的具体情况、改造效果、能效提升进行了详细的分析和研究，改造中选择了高效磁悬浮冷水机组，应用了变频技术来优化水泵的运行，改造后2022 年空调季制冷机房平均能效比达到5.16，年节电量约为30万kWh，节能效果显著。

为了进一步提升能效比，对制冷机房运行数据进行了对比分析，并得出如下结论：负载率的优化对冷水机组能效具有直接而显著的影响，但对于改造项目来说还需考虑冷机配电问题。通过调整冷机出水温度和优化水泵变频策略，能进一步提高制冷机房的能效，这需要更加有效的节能控制策略。

通过改造措施和效果分析：选择高效设备、应用变频技术和合理调整控制参数，是制冷机房能效提升的重要手段；综合考虑节能和稳定性的平衡，将是制冷机房能效提升和高效化改造的关键。这些研究结果为地铁车站制冷机房高效化改造和能效提升提供了具体的改造方案和实践指导，对于实现低碳、高效的能源利用具有重要意义。